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TDC7200高精度超声波流量计


文章日期:2018-03-14|阅读数:


摘要:超声波流量计有非接触、安装方便等优点,在国民生产中有着广泛的应用,设计了一种基于TDC7200的时差法超声波流量计。系统选用高精度的时间测量芯片TDC7200为核心,以STM32FB407为控制芯片,用模拟前端TDC1000芯片替代了以往超声波流量计的模拟电路,将对流量的测量转换为对时间的测量,实现时间测量精度可达ps量级。分析了时差法超声波流量计的测量原理,介绍了TDC7200芯片的详细信息,阐述了超声波流量计的硬件结构和软件设计,完成了流量计的初步测试工作。设计的流量计在实测环境中体现出了较高的精度,静态水流中顺流和逆流时间差很平稳,标准差达到0.179ns。

Abstract:Ultrasonicflowmeterhastheadvantagesofnon-contactandeasyinstallation.Ithasawiderangeofapplicationsinnationalproduction.Inthispaper,
atimedifferenceultrasonicflowmeterbasedonTDC7200wasdesigned.ThesystemmainlyusedprecisetimemeasurementchipTDC7200,
withMCUSTM32FB407,
theanalogcircuitofultrasonicflowmeterwasreplacedbyanalogfront-endchipTDC1000,
thetimemeasurementaccuracycouldreachpicosecond.Themeasuringprincipleofultrasonicflowmeterbasedontimedifferencemethodwasanalyzed.ThedetailedinformationaboutTDC7200chipwasintroduced,
andthehardwarestructureandsoftwaredesignwareexpounded,
theflowmeterwaspreliminarytested.Thedesignedflowmetershowshighprecisioninthemeasurement,andthetimedifferencebetweentheupstreamandthedownstreamofthestaticflowisverysmooth,
andthestandarddeviationis0.179ns.Keywords:ultrasonicflowmeter;methodoftimedifference;TDC7200;timemeasure

0、引言:
 在许多生产和计量场景中,为了保证产品质量、提高生产效率、准确计量收费等,都需要对流体流量进行地测量,测量流体流量的仪器仪表被称为流量仪或者流量计[1]。早在1931年,法国的Rutten就提出了根据超声波信号传播的时间差来完成对流体流量的测量[2]。
 此后,超声技术就逐渐被实际应用于流量测量,利用超声波在流体中的传播特性,将对流量的测量转换为对时间、频率等参数的测量,结合其他物理参数再计算出流量,具有精度高、非接触、不破坏流体等优势。根据测量原理的不同,又可以分为时差法、频差法、多普勒法、相关法以及波束偏移法等[3]。因为成本和使用便利性等原因,其中时差法和多普勒法应用较为广泛,但是多普勒法的测量精度不高,实际应用中时差法使用得***多。
 本文所设计的流量计采用了时差法,利用超声波在顺流和逆流的传播时间会受到流体速度的影响,通过两者的时间差值计算出流体的速度,而时间差的精度几乎决定了整个测量结果的精度。如今,集成电路技术的飞速发展,相继出现了高度集成的时间数字转换芯片(timetodigitalconverter,
TDC),不但性能,而且操作简便,大大减小流量计的体积,提供更好的可靠性,本次设计选用的TDC7200就是其中之一。

1、时差法测量原理:
 时差法超声波流量计的测量原理[4-5],超声波在动态的流体中,超声波在顺流和逆流方向传播的距离相同,顺流时与流体运动分量正向叠加从而传播速度增加,传播时间减小,而逆流时与流体运动分量反向叠加从而传播速度减小,传播时间增加。因此顺逆流方向声波传播时间与逆流方向超声波传播时间会有差值。基于时差法的超声波流量计的核心原理,根据流体介质的流速与上述时间差为线性关系,只要准确测量出时间差,就可以间接得到瞬时流速,从而可以求出流体的瞬时流量[6]。超声波时差法测量原理如图1所示。
图 1 超声波时差法测量原理

图1超声波时差法测量原理
 图1中t1为上游换能器发射、下游换能器接收时,超声波在管道中的传播时间,即顺流时间;t2为下游换能器发射、上游换能器接收时,超声波在管道中传播时间,即逆流时间[7]。取流体的流速为V,超声波在流体中的传播速度为C,管道直径为D,两个超声波换能器的安装角度为θ。上下游超声换能器交替发射和接收超声波,设顺逆流传播的时间差为ΔT[8],顺流时间为:
计算公式

t1=D/cosθC+Vsinθ(1)超声波速度减去流体速度分量可得逆流时间:t2=D/cosθC-Vsinθ(2)t2和t1相减可得到时间差:ΔT=t2-t1=2DVtanθC2-V2sin2θ(3)因常见流体中声速C远大于流体的流速V,即C2》V2,可以化简得[9]:V≈C22DtanθΔT
 由式(4)可知流体的速度V与顺逆流的时间差ΔT成正比关系,要提高流量计的测量精度,则需提高对超声波传播时间的测量精度[10]。管道截面积和安装角度等参数确定后,根据上下游超声波传播的时间差就能实时测量出瞬时流量。

2、TDC7200芯片介绍:
 超声波传播时间的测量精度是流量计的设计的核心问题。TDC7200是德州仪器TI公司于2015年推出的、面向水、燃气、热量计量应用的时间数字转换芯片,其分辨率达到了55ps,标准偏差为35ps,并且***多可支持5个STOP信号,使用户可以灵活选择***佳的STOP信号。芯片内置自校准时基,可对时间和温度偏差进行补偿,这一自校准功能使得时间数字转换器能够获得ps级精度。接口方面,TDC7200支持SPI串行总线通讯,可以非常方便地由MCU完成指令配置、数据读取等操作。
图 2 TDC7200 的功能模块

图2TDC7200的功能模块
 TDC7200根据具体使用场景所需测量的时间长度,分为两种测量模式。模式1,测量范围为12~500ns,适合完成时间间隔较短的测量任务,芯片只会使用内部振荡器,对START信号和STOP信号之间的时间计数。模式2,可测量250ns~8ms,芯片将会使用内部振荡器和外部时钟。内部振荡器完成精细时间计数,而外部时钟进行粗略时间计数,如图所示。内部振荡器对START信号的第1个上升沿和随后的第1个外部时钟上升沿之间的时间计数,随后关闭内部振荡器,计数器对外部时钟进行计数;直到接收到STOP信号后,内部振荡器将重新启动,对STOP信号上升沿和随后的第1个外部时钟上升沿之间的时间计数。在模式2中,TDC7200还支持多达128次的自主多周期平均测量,当开启自主多周期测量后,TDC7200启动测量后将会自动进行多次测量,并在完成设定的测量次数后才会发出中断,器件主控芯片可以进入休眠,在提高测量精度的同时尽量降低系统功耗[11]。TDC7200在模式2时的测量工作时序如图3[12]所示。
图 3 TDC7200 模式 2 的工作时序

图3TDC7200模式2的工作时序

3、超声波流量计:
 设计流量计使用上述的TDC7200用于超声波传播的高精度时间测量,使用低功耗32位ARM芯片STM32FB407作为整个系统的主控制芯片,主要完成指令配置、数据计算以及上位机通信[11-12]。同时,使用同是TI公司生产的TDC1000芯片作为模拟前端,驱动换能器发出超声波以及处理接收到的回波。系统整体框图如图4所示。
图 4 流量计系统框图
图4流量计系统框图
 STM32FB407使用SWD模式调试,使用8M的无源晶振作为时钟信号,主控芯片通过EN1和EN2分别控制TDC7200和TDC1000的使能端,仅在需要测量时开启芯片,可以降低系统功耗。同时,
STM32FB407通过管脚对测量芯片的状态引脚进行监测。主控芯片STM32FB407、TDC7200和TDC1000之间通过SPI串行总线通信,STM32FB407作为SPI主设备,完成TDC7200和TDC1000的参数配置、发送测量指令、以及数据计算和系统控制,***后通过RS232串口将***终的数据发送给上位机[13]。

3.1、时间测量模块设计:
 根据超声波在流体中的传播速度和需要传播的距离可估算出需要的测量时间在us量级,因此设定TDC7200的工作模式为模式2,测量范围为250ns~8ms。在模式2中,TDC7200需要同时使用内部振荡器和外部时钟,外部时钟使用了一块频率为8MHz的有源晶振,提供稳定的时钟信号。TDC7200通过SPI总线和主控芯片STM32FB407相连,接收指令并传输测量结果。TDC7200收到测量指令后TRIGG管脚发出测量触发信号给TDC1000,START管脚立刻准备接收START信号并在收到START信号后启动计时,而当STOP管脚接收到符合设定要求的STOP信号后停止计数,随后INTB管脚向主控芯片STM32FB407发出中断信号表示测量完成。时间测量芯片TDC7200的核心电路如图5所示。

3.2、超声波收发模块设计:
 为了能够更好地驱动超声波换能器并准确处理接收到的超声波,设计中使用TDC1000替代了通常使用的超声波模拟驱动电路。TDC1000是TI公司生产的一款适用于超声波测量应用的模拟前端,测量宽度可达8ms,包含了两个可以自动切换的超声波测量通道,可以满足本设计中需要分别测量顺流时间和逆流时间的要求。同时,TDC1000可以驱动工作频率范围在31.25kHz~4MHz的超声波换能器,并且内部集成了低噪声、可编程的增益放大器,也可以设定接收波形的阈值比较器的门限,针对较
图 5 TDC7200 核心电路

图5TDC7200核心电路
 长时间的测量也有低功耗模式,***后还可以连接两路用于温度测量的RTD。使用TDC1000,不论是超声波信号发送的频率和数量,还是接受信号的放大处理和触发电平设置,都可以通过SPI配置完成,使得系统具有很强的适应性,免去使用环境发生变化时需要调整电路的麻烦。本次设计中TDC1000和TDC7200共用一块8MHz的有源晶振作为时钟信号,通过SPI总线由主控芯片STM32FB407配置分频系数,用于产生对应频率的超声波信号。TDC1000的TRIGGER管脚接收由TDC7200发出的测量触发信号,START管脚和STOP管脚分别向TDC7200发出测量开始信号和测量停止信号[14]。超声波收发模块核心电路如图6所示。
图 6 TDC1000 电路

图6TDC1000电路
 设计中整个系统使用了5V电源供电,如果用TDC1000直接驱动超声波换能器,接收到的波形幅值很弱,测量的精度不高,因此使用TPS61170芯片将驱动电压提升到30V后驱动换能器,测量距离可以明显增加,接收到的波形幅值也更大,可以提高测量精度。

3.3、软件设计:
 系统软件设计使用了意法半导体公司的STM32cubeMX软件工具,可以快速配置系统时钟和管脚功能,并且自动配置好FreeRTOS嵌入式实时操作系统,提高开发效率和系统稳定性。然后用用C语言在Keil5中编写代码。
 系统上电后完成系统初始化,开启SPI和UART串口,进入FreeRTOS的主线程后,使能TDC7200和TDC1000,通过SPI分别配置好TDC7200和TDC1000的工作参数。完成配置后STM32FB407向TDC7200发出测量指令,TDC7200收到测量指令后立刻发送触发信号给TDC1000,随后TDC1000通过驱动电路驱动换能器发出超声波,并同时发出START信号触发TDC7200开始计时,当TDC1000接收到符合预设条件的超声波回波便产生STOP信号,TDC7200收到STOP信号后停止计时并中断STM32FB407,STM32FB407通过SPI总线从TDC7200的寄存器中读取结果,***后STM32FB407通过公式计算出传播时间。系统每隔100ms进行一次测量,并在每次测量完成后交换测量通道,分别测得顺游和逆游的超声波传播时间,根据时间差可以计算出瞬时流量。系统流程如图7所示。
图 7 系统流程

图 7 系统流程

4、系统测试:
  系统测试中中选用了杭州安布雷拉公司生产的 DYW-1 M-01E 型超声波换能器,是一款工作频率为 1 MHz 的超声波换能器,能够发送并接收超声波[15]。将上下游两个超声波换能器放置在常温静态水流中测试静态数据,分别连接到流量计电路的两个通道中,换能器驱动端升压至 30 V驱动,安装位置与水流的角度为 45°,测试管径为 4. 8 cm。设定 TDC1000 每次发送 3 个波形,使用程序控制切换通道,发送端和接收端的波形如图 8 所示。
图 8 超声波收发波形图 9 测量时间曲线图
图 8 超声波收发波形图 9 测量时间曲线图
  可以看到顺流和逆流的传播时间曲线的走势基本一致,播时间值的均值分别为 4 682. 2 和 4 682. 1 ns,并且标准差都小于 0. 53 ns,顺流和逆流的传播时间波动由环境震动等干扰因素引起; 顺流和逆流的传播时间差值曲线整体很平稳,均值为 1. 086 ns,标准差为 0. 179 ns,均值 1. 086 ns的平均时间差换算为超声波传播距离约 1. 57 μm,可能由换能器的安装位置角度、制造工艺等因素引起。

5、结论:
  本文分析了时差法流量测量理论方法,以由 TDC7200时间测量模块为核心,采用可编程设定的 TDC1000 替代了以往超声波流量计的模拟电路,设计了一种时间测量 ps 级分辨率的高精度超声波流量计,可以满足非接触、非破坏要求的测量场景。同时,高精度、稳定的时间测量还可以运用在液位检测、密度检测、温度检测等领域,具体一定的普适性。从***终的实测数据和曲线中可以看到,流量计中的时间测量精度很高,稳定性也很好,在高精度的时间测量基础上,结合液体横截面和安装角度等参数,加上数字滤波等操作可以完成高精度的流量测量,对流量计的进一步设计和实现具有参考和指导意义。


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